To ciekawe

Każde urządzenie elektryczne - zarówno domowego jak i przemysłowego użytku - niezależnie od tego, czy jest małe czy duże, ma naniesione na obudowę informacje dotyczące jego parametrów użytkowych i warunków pracy. Dzięki nim wiemy, jak bezpiecznie podłączyć to urządzenie i jak z niego korzystać. Możemy także poznać wiele innych jego właściwości, jeśli tylko potrafimy przeprowadzić odpowiednie obliczenia. A jeżeli ktoś jeszcze nie potrafi, niech zapozna się z naszym e‑materiałem.

Warto przeczytać

Tabliczka znamionowa to trwale przymocowany do urządzenia element, który zawiera podstawowe informacje na jego temat, w tym dotyczące parametrów jego pracy. Przykład wraz z opisem znajdziesz na rysunku obok.

RzWz5khNWwiFK

Rys. a. Na rysunku przedstawiono tabliczkę znamionową pewnego silnika elektrycznego. Ma ona kształt prostokąta i jest podzielona na wiersze i kolumny zawierające różne informacje. Na rysunku, od odpowiednich miejsc tabliczki na zewnątrz poprowadzone są strzałki wraz z opisem. W lewym górnym rogu podana jest nazwa i logo producenta. Na prawo od nich znajduje się wiersz, w którym zapisano „Iz wielka litera F” łamane na”, następnie występuje dłuższy odstęp, a następnie wstawiono znak stopnia Celsjusza. Oznaczenie „Iz” oznacza klasę izolacji – tutaj klasę F. Przy stopniu Celsjusza występuje dłuższa przerwa, co oznacza, że temperatura otoczenia przy pracy silnika nie powinna przekraczać 40 stopni. Gdyby w wolnym miejscu pojawiła się inna wartość liczbowa, wskazywałaby ona na inną temperaturę maksymalną. Poniżej znajduje się symbol wielka litera S jeden – oznacza on rodzaj pracy urządzenia. S1 oznacza pracę ciągłą. Na prawo od tych informacji znajduje się symbol CE, oznaczający że dany silnik spełnia wymogi Unii Europejskiej dotyczące bezpieczeństwa, ochrony zdrowia i ochrony środowiska. Symbol ten składa się z liter C i E, litera C jest półokręgiem, a litera E – półokręgiem z poziomą linią w środku.W kolejnym wierszu znajduje się oznaczenie „nr V021546”, które oznacza numer silnika. Na prawo widnieje symbol wielkie litery IM 1001, opisujący formę konstrukcji i podłączania urządzenia. IM 1001 oznacza, że urządzenie jest montowane na stojących nóżkach. W kolejnym wierszu zapisano „Typ Sg 132M myślnik 4”. Oznaczenie to opisuje typ silnika. Na prawo podano oznaczenie wielkie litery IP55. Opisuje ono stopień ochrony urządzenia przed wnikaniem wody, kurzu i innych zanieczyszczeń. W kolejnym wierszu zapisano oznaczenie 3 tylda dłuższy odstęp 400 trójkąt łamane na 690 wielka litera Y dłuższy odstęp wielka litera V dłuższy odstęp 50 Hz. Oznaczenie 3 tylda oznacza, że jest to silnik trójfazowy. Napięcie znamionowe silnika wynosi 400 wolt lub 690 wolt, w zależności od sposobu podłączenia silnika. Wartość 50 Hz opisuje częstotliwość znamionową napięcia używanego do zasilania silnika. W kolejnym wierszu zapisano moc znamionową silnika, wynoszącą 7,5 kilowata. Na prawo podano prąd znamionowy, który w zależności od sposobu podłączenia wynosi 14,6 lub 8,4 ampera.W kolejnym wierszy zapisano cos fi 0,85. Fi jest grecką literą wyglądającą jak literka o z kreską pociągniętą z górnej części litery pionowo w dół. Wartość cos fi to współczynnik mocy, mówiący o tym, ile energii elektrycznej pobieranej z sieci silnik może teoretycznie przetworzyć na pracę. Na prawo zapisano eta 87,0 %. Eta to grecka litera wyglądająca jak litera n, której druga nóżka została przedłużona w dół. Oznaczenie to opisuje sprawność urządzenia, tj. ile energii, z tej która teoretycznie może zostać zamieniona na pracę, faktycznie zostaje do tego wykorzystane.W następnym wierszu zapisano n dłuższy odstęp 1450 1 łamane na min, co oznacza, że prędkość obrotowa silnika wynosi 1450 obrotów na minutę. Poniżej znajduje się oznaczenie G0G4B3120MG00Z, które jest numerem katalogowym silnika nadanym przez producenta. Poniżej znajduje się drugie logo producenta. Na prawo znajduje się oznaczenie 06 łamane na 08, które oznacza miesiąc i rok produkcji silnika. Silnik posiadający tę tabliczkę został wytworzony zatem w czerwcu 2008. Jeszcze dalej na prawo znajduje się informacja „Made in Poland”, oznaczająca, że silnik został wykonany w Polsce.

Tabliczka na rysunku dotyczy silnika elektrycznego zasilanego trójfazowym prądem przemiennym. W tym e‑materiale zajmiemy się łatwiejszymi przypadkami: urządzeniami jednofazowymi, dla których można stosować reguły rządzące przepływem prądu stałego (czyli tak, jakby były zwykłymi opornikami). Będziemy więc brali pod uwagę następujące parametry, spośród występujących na tabliczkach znamionowych:

1. napięcie znamionowe,

2. natężenie prądu,

3. moc pobierana z sieci elektrycznej,

4. moc użyteczna urządzenia.

W praktyce codziennej, interesuje nas najczęściej:

1. w jaki sposób możemy bezpiecznie łączyć urządzenia elektryczne,

2. ile urządzeń możemy podłączyć, by nie przeciążyć instalacji,

3. do jakiego rodzaju prądu można podłączyć urządzenie 4. stałego, czy przemiennego.

Ucząc się fizyki, możemy też być poproszeni o obliczenie oporu elektrycznego urządzenia lub  pracy wykonanej przez nie w określonym czasie.

Równoległe i szeregowe łączenie urządzeń

Domowe urządzenia elektryczne łączy się do sieci równolegle, czyli tak, jak pokazano na Rys. 1.

RIemz8J71gOUE

Rys. 1. Na rysunku widoczne są cztery koła wyrównane względem siebie w poziomie. Koło najbardziej po lewej ma w środku symbol tyldy wyglądający jak falka. Symbolizuje to źródło napięcia przemiennego. Trzy kolejne koła mają w środku symbole X, co oznacza że są to urządzenia elektryczne włączane do sieci. Koła‑urządzenia są połączone z kołem‑źródłem napięcia za pomocą przewodów pokazanych jako linie. Przy połączeniu równoległym każde urządzenie znajduje się na osobnej gałęzi, a dana gałąź jest z obu stron połączona ze źródłem napięcia.

Dzięki temu, każde z nich zasilane jest takim samym napięciem, 230 V. Natężenia prądów przepływających przez różne elementy mają wtedy różne wartości, a wszystkie sumują się do natężenia prądu przepływającego przez źródło.

Czasami występuje jednak potrzeba szeregowego połączenia odbiorników tak, jak na Rys. 2. Przykładem mogą być lampki choinkowe starszego typu.

RSFjZmJdPdQg7

Rys. 2. Na rysunku widoczne są cztery koła wyrównane względem siebie w poziomie. Koło najbardziej po lewej ma w środku symbol tyldy wyglądający jak falka. Symbolizuje to źródło napięcia przemiennego. Trzy kolejne koła mają w środku symbole X, co oznacza że są to urządzenia elektryczne włączane do sieci. Wszystkie koła‑urządzenia podłączone są do koła‑źródła napięcia na jednej gałęzi. Oznacza to, że skrajne koła‑urządzenia połączone są z jednej strony do koła‑urządzenia środkowego, a z drugiej do koła źródła‑napięcia. Koło‑urządzenie środkowe jest z obu stron podłączone do pozostałych dwóch kół urządzeń.

Przy takim połączeniu, przez każdy element przepływa prąd o jednakowym natężeniu, a spadki napięć na nich sumują się.

Jeżeli napięcie znamionowe każdej żaróweczki choinkowej (czyli napięcie, do którego należy ją podłączać) wynosi 3V, to w jednym zestawie powinniśmy ich połączyć 77:

$\begin{array}{}\text{(1)}& \frac{230V}{3V}=76,7.\end{array}$

Połączenie większej ich liczby spowoduje, że każda będzie świeciła słabiej, gdyż panujące na jej końcach napięcie będzie mniejsze, niż znamionowe (zalecane przez producenta). Połączenie mniejszej liczby może być niebezpieczne, gdyż wtedy zbyt wysokie napięcie na każdej żarówce może spowodować jej przepalenie.

Wadą takiego połączenia jest fakt, że przy awarii choćby jednej żarówki w szeregu następuje przerwanie obwodu elektrycznego i nie świeci wtedy żadna z nich.

Obliczanie natężenia prądu

Załóżmy, że włączamy do domowej instalacji elektrycznej suszarkę do włosów. Na jej tabliczce znamionowej zapisano, że ma ona moc 1600 W. Obliczmy, jakie jest natężenie prądu przepływającego przez nią. Wykorzystamy wzór, który wyprowadzono w e‑materiale „Jak definiuje się moc prądu elektrycznego?”:

$\begin{array}{}\text{(2)}& P=UI\mathrm{,}\end{array}$

gdzie literą P oznaczyliśmy moc urządzenia, U to napięcie znamionowe sieci (230 V), a I to szukane natężenie prądu. Mamy więc:

$\begin{array}{}\text{(3)}& I=\frac{P}{U}=\frac{1600W}{230V}=7,0A\mathrm{.}\end{array}$

Wynik zaokrągliliśmy do dwóch cyfr znaczących.

Ile takich suszarek możemy podłączyć jednocześnie, by nie przeciążyć instalacji zabezpieczonej bezpiecznikiem o wartości 16 A? Prosty rachunek pokazuje, że takich suszarek mogą w domu używać jednocześnie tylko dwie osoby.

Odczytywanie rodzaju prądu

W domowej sieci elektrycznej płynie prąd przemienny. Akumulatory trzeba ładować prądem stałym. Niektóre urządzenia, na przykład żarówki lub grzejniki, mogą być zasilanie obydwoma rodzajami prądu. Na Rys. 3. pokazano oznaczenia, jakie stosuje się na tabliczkach znamionowych do wskazania rodzaju prądu, do jakiego należy podłączyć urządzenie.

RBKx6WEAVhQ3N

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono symbole wykorzystywane do opisu rodzaju prądu, jakiego potrzebują do pracy urządzenia elektryczne. Na górze przedstawiono ciągłą poziomą kreskę, a pod nią przerywaną kreskę tej samej długości, złożoną z trzech krótszych kresek. Są to oznaczenia dla prądu stałego, co zapisano pod kreskami. Jeszcze niżej zapisano symbol fali zawierający górę i dolinę. Poniżej zapisano, że jest to oznaczenie dla prądu przemiennego.

Obliczanie oporu urządzenia

Znając moc P i napięcie znamionowe U urządzenia elektrycznego, możemy obliczyć jego opór R. Korzystając ze wzoru (2) i prawa Ohma, mamy:

$\begin{array}{}\text{(4)}& P=UI=U\frac{U}{R}=\frac{U^2}{R}\mathrm{,}\end{array}$

a więc

$\begin{array}{}\text{(5)}& R=\frac{U^2}{P}\mathrm{.}\end{array}$

Obliczanie pracy

Czasami zachodzi konieczność obliczenia pracy W, jaką wykonało urządzenie elektryczne pracując w czasie t. Pamiętając o tym, że moc (z definicji) równa jest pracy wykonanej w jednostce czasu (czyli moc, to szybkość, z jaką wykonywana jest praca), możemy napisać:

$\begin{array}{}\text{(6)}& W=Pt\mathrm{.}\end{array}$

Przy obliczaniu ciepła właściwego wody podgrzewanej w czajniku przyjmujemy, że praca wykonana przez prąd elektryczny, obliczona według wzoru (6), została zamieniona na ciepło dostarczone wodzie i dzięki temu możemy zastosować wzory kalorymetryczne do dalszych obliczeń. Założenie to jest przybliżone, gdyż wiadomo, że nie ma urządzeń pracujących ze sprawnościąsprawnośćsprawnością wynoszącą 100%. W rzeczywistości, musimy odróżniać moc elektryczną pobieraną przez urządzenie z sieci od mocy użytecznej, jaką wykorzystuje urządzenie do wykonania pracy.

Warto na koniec wspomnieć o informacjach dotyczących bezpieczeństwa użytkowania, umieszczonych na tabliczkach znamionowych urządzeń elektrycznych. Najczęściej są to:

1. stopień ochrony – czyli zabezpieczenie przed dostępem do części umieszczonych wewnątrz i wnikaniem obcych ciał stałych oraz cieczy (tzw. kod IP);

2. klasa izolacji (ochronności) – czyli stopień zabezpieczenia przed porażeniem prądem;

3. certyfikat bezpieczeństwa CE – obowiązkowe w państwach Unii Europejskiej poświadczenie jakości zgodnej z odpowiednimi dyrektywami.

Słowniczek